(57)【要約】【課題】  簡易に作製できる複合粒子（微粒子の外殻を他の材質が覆った粒子）による周期構造物を有する光学素子およびその作製方法を提供すること。【解決手段】  中央部に波長４５０ｎｍ程度の光を伝播させる光導波路としての役割を果たす凹部の箇所（導波路箇所）（縦横各約１μm）を設けている。光導波部は長方形状の一端から他端に繋がる空隙からなり、その他の箇所はチタニア中空粒子（粒径約３００ｎｍ）による周期性構造物１，２からなっている。周期性構造物１，２は、石英基板３上に形成されたチタニア中空粒子４からなる周期構造体である。図では、粒子径、層数、亀裂の数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる２種類以上の媒質が周期構造をなすことによりフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなる光学素子の作製方法であって、以下の工程を有することを特徴とする光学素子の作製方法。
コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）。
前記工程（Ａ）にて作製された周期性構造物の微粒子外壁に金属アルコキシドを付着させる工程（Ｂ）。
前記工程（Ｂ）にて付着させた金属アルコキシドを乾燥させる工程（Ｃ）。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子の作製方法において、さらに、以下の工程を有することを特徴とする光学素子の作製方法。
前記工程（Ｃ）の後に、前記微粒子を除去することにより中空粒子を作製する工程（Ｄ）。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学素子の作製方法において、
前記工程（Ｂ）および前記工程（Ｃ）を複数回繰り返すことを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項４】
請求項３記載の光学素子の作製方法において、
前記工程（Ｂ）および前記工程（Ｃ）の繰り返しは、前記微粒子間の隙間が埋まるまで行うものであることを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記工程（Ｂ）は、微粒子外壁に付着させる金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１）を含むことを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光学素子の作製方法において、
前記金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１）は、遠心力を利用して微粒子外壁に付着する金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１１）を含むことを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項７】
請求項５に記載の光学素子の作製方法において、
前記金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１）は、金属アルコキシドの濃度を調整する工程（Ｂ１２）を含むことを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記工程（Ａ）におけるコロイド溶液は、シリカ微粒子、ポリスチレン微粒子もしくはポリメタクリル酸メチル微粒子を含むことを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記金属アルコキシドとしてチタンアルコキシドを用いたことを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１０】
請求項２〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記工程（Ｄ）における微粒子を除去する工程は、熱による微粒子の焼失である特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１１】
請求項２〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記工程（Ｄ）における微粒子を除去する工程は、液相における化学反応による除去である特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１２】
請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記金属アルコキシドを有する周期性構造物に、選択的に凹部を形成するステップを有することを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の光学素子の作製方法において、
前記凹部を形成するステップは、フェムト秒レーザーを照射することによって行われることを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１４】
屈折率の異なる２種類以上の媒質が周期構造をなすことによりフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなる光学素子であって、
基板の表面に設けられた微粒子の周期性構造物と、
該周期性構造物の微粒子外壁に設けられた金属アルコキシドと、
を有することを特徴とする光学素子。
【請求項１５】
屈折率の異なる２種類以上の媒質が周期構造をなすことによりフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなる光学素子であって、
基板の表面に設けられた球形殻状の金属アルコキシドの周期性構造物を有することを特徴とする光学素子。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載の光学素子において、
前記周期性構造物に、一方の端部から他方の端部に連結する凹状の溝を設けたことを特徴とする光学素子。
【請求項１７】
請求項１６記載の光学素子を用いたことを特徴とする光導波路。
【請求項１８】
請求項１４または１５記載の光学素子において、
前記周期性構造物に、孤立した凹状の溝を設けたことを特徴とする光学素子。
【請求項１９】
請求項１８記載の光学素子を用いたことを特徴とする光レーザー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子およびその作製方法に係り、特に、微粒子を周期的に配列させた微粒子周期構造物を利用した導波路、光共振器、光スイッチなどのフォトニック結晶光学デバイスや、殻状粒子が規則的に配列した結晶構造を有する光デバイスなどの光学素子およびその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニックバンドギャップにより結晶中に光を閉じ込めることが可能なフォトニック結晶は、光学デバイスに利用できる材料として期待され、研究開発が盛んになされている。
【０００３】
フォトニック結晶形成技術として、光学媒質（微粒子）の自己組織化を利用した方法がある。自己組織化を利用して配列された微粒子膜（周期構造体、フォトニック結晶）は、高品質、大表面積を可能にするものとして特に期待されている。
【０００４】
永山らは、特開平７−１１６５０２号公報（特許文献１）およびそれに対応する特許第２８２８３８６号公報（特許文献２）において、コロイド溶液を用いた「微粒子薄膜の製造方法」を報告している。
【０００５】
これは、液体の毛管力を利用し、溶媒の蒸発速度、微粒子の体積分率を制御することにより集積される結晶の高品質化を図ったものである。２枚の実質的に平行な面の間の狭い間隙にコロイド結晶を成長させる方法もピュージ、ピーター・ニカラスら（特許第２６９３８４４号公報「懸濁コロイド球」（特許文献３））をはじめとして報告されている。
【０００６】
その際に、２枚の基板のうちの下部基板に型を施し、この型を利用して、微粒子で形成される形状を制御するようにした技術が、Younan Xiaらによって提案されている（B. T. Mayers, et al., Advanded Materials, 12, No.21, pp.1629-1632, 2000.（非特許文献１）、S. H. Park, et al., Advanded Materials, 11, No.6, pp. 462-466, 1999.（非特許文献２）参照）。
【０００７】
使用する微粒子としては単分散の良いシリカやポリスチレンが用いられるのが一般的である。しかしながら、これらの物質ではデバイス材料としては屈折率が十分に高くなく所望の特性のデバイスを得ることができない。
【０００８】
屈折率のより高い微粒子膜を作製するために、上記の方法により作製された微粒子膜を利用してさらに改善した方法が報告されている。その方法とは、微粒子膜の微粒子間の空隙に光硬化性樹脂などのモノマーを流し込み、固体させた後、微粒子をエッチングにより取り除いて、ポリマーによる周期構造体（反転構造、逆オパール構造、インバース構造、あるいはテンプレートと呼ばれる）を得るインバースオパール法と呼ばれる方法である。
【０００９】
インバースオパール法については、V. L. Colvinらによって精力的に報告されている（P. Jiang, et al., J. Am. Chem. Soc., 121, pp. 11630-11637, 1999.（非特許文献３）、K. M. Kulinowski, et al., Advanded Materials, 12, No.11, pp.833-838, 2000.（非特許文献４）、特開２００３−２６８７号公報（特許文献４）参照）。
【００１０】
さらに、改善された方法も提案されている。それは、インバースオパール法において、最初に微粒子が存在していた空隙に屈折率のより高い材質を充填し、インバースオパール法によって得られた箇所（逆オパール構造）を取り除くようにしたものである。その結果、自己組織化によって最初に得られた周期構造とほぼ同等な周期構造体を材質が変わった形で得ることができる。
【００１１】
このような中空微粒子構造体に関するものとしては、V. L. Colvinグループ、デイビット・ノリスらによるP. Jiang, et al., Science, Vol.291, pp. 453-457, 2001.（非特許文献５）や特許第３１８３３４４号公報（特許文献５）がある。微粒子が存在していた空隙に液晶分子を充填することも可能である。このような周期構造体においても最初に作製される微粒子膜が鋳型になるので、微粒子を欠陥なく配列させる技術を高めることは重要である。
【００１２】
光学素子として使用する場合には、例えば、導波路では周期構造体の中に例えば微粒子が存在しない空間が連続的に存在するなど、光路となる箇所が必要となる。光路となる箇所の作製方法としては、Lee, et al.により提案されている（Adv. Mater.14, 271-274, 2003；非特許文献６参照）。
【００１３】
この文献で提案されている方法は、シリカ球による周期構造体の間隙にモノマーを流し込み、レーザを用いて特定の箇所のモノマーを選択的に硬化させるとともに、硬化していないモノマーを取り除いてシリコンを導入し、シリカ球とポリマーを選択的に取り除き、ポリマーが存在していた箇所を導波路とする方法である。
【００１４】
また、フォトニックバンドギャップを確実に開き、特定波長の光の閉じ込めを行う必要がある。そのためには、高屈折率箇所の体積分率が低い方がフォトニックバンドギャップは大きくなると考えられている。
【００１５】
そのため、インバース構造以上に高屈折率箇所の体積分率を低くする構造を形成する必要がある。一つには、中空粒子が規則配列したハロー構造である（例えば、上述したP. Jiang, et al., Science, Vol.291, pp. 453-457, 2001.（非特許文献５）参照）。
【００１６】
【特許文献１】特開平７−１１６５０２号公報
【特許文献２】特許第２８２８３８６号公報
【特許文献３】特許第２６９３８４４号公報
【特許文献４】特開２００３−２６８７号公報
【特許文献５】特許第３１８３３４４号公報
【非特許文献１】B. T. Mayers, et al., Advanded Materials, 12, No.21, pp.1629-1632, 2000.
【非特許文献２】S. H. Park, et al., Advanded Materials, 11, No.6, pp. 462-466, 1999.
【非特許文献３】P. Jiang, et al., J. Am. Chem. Soc., 121, pp. 11630-11637, 1999.
【非特許文献４】K. M. Kulinowski, et al., Advanded Materials, 12, No.11, pp.833-838, 2000.
【非特許文献５】P. Jiang, et al., Science, Vol.291, pp. 453-457, 2001.
【非特許文献６】Lee, et al.Adv. Mater.14, 271-274, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上説明したように、従来、インバース構造の球形空隙の内壁に中空粒子を作製し、インバースオパール箇所を除去することによって中空粒子構造体を形成する方法が様々研究され提案されているが、より簡単な作製方法が強く要望されている。オパールにCVDなどを用いて微粒子外殻を他材料で被覆する方法も提案されているが、簡易に殻粒子や複合粒子を形成できないという問題がある。
【００１８】
本発明の目的は、上記問題を解消し、簡易に作製できる複合粒子（微粒子の外殻を他の材質が覆った粒子）による周期構造物を有する光学素子および該光学素子の作製方法を提供することを目的としている。以下、請求項毎の目的を記す。
【００１９】
ａ）請求項１の目的
請求項１に係る本発明の目的は、複合粒子（微粒子の外殻を他の材質が覆った粒子）による周期構造物を簡易に作製することである。
【００２０】
ｂ）請求項２の目的
請求項２に係る本発明の目的は、中空粒子（殻粒子）による周期構造物を簡易に作製することである。
【００２１】
ｃ）請求項３の目的
請求項３に係る本発明の目的は、微粒子の外壁に金属アルコキシドを被覆する際に、外壁の厚みを制御することである。
【００２２】
ｄ）請求項４の目的
請求項４に係る本発明の目的は、微粒子間に他の材質が充填された構造（逆オパール構造）を得ることである。
【００２３】
ｅ）請求項５の目的
請求項５に係る本発明の目的は、微粒子の外壁に金属アルコキシドを被覆する際に、他の箇所に不要物ができないようにするとともに形成される微粒子外殻の厚みを調整することである。
【００２４】
ｆ）請求項６の目的
請求項６に係る本発明の目的は、スピンナーなどの遠心力を利用して微粒子の外壁以外の金属アルコキシドを簡易に除去することである。
【００２５】
ｇ）請求項７の目的
請求項７に係る本発明の目的は、あらかじめ使用する金属アルコキシドの量を調整することにより、形成される微粒子外殻の厚みを調整することである。
【００２６】
ｈ）請求項８の目的
請求項８に係る本発明の目的は、単分散性の良い微粒子を用いて周期構造に欠陥を生じにくくさせることである。
【００２７】
ｉ）請求項９の目的
請求項９に係る本発明の目的は、チタンアルコキシドを用いることによりチタニア殻を形成して、屈折率の高い殻粒子を形成することである。
【００２８】
ｊ）請求項１０の目的
請求項１０に係る本発明の目的は、微粒子としてポリマー微粒子を用いた場合には熱によって除去することにより、簡易に中空粒子を作製することである。
【００２９】
ｋ）請求項１１の目的
請求項１１に係る本発明の目的は、液相中の化学反応により除去可能な微粒子を用いた場合には化学反応によって微粒子を除去することにより、簡易に中空粒子を作製することである。
【００３０】
ｌ）請求項１２の目的
請求項１２に係る本発明の目的は、簡易な方法で作製できる光導波路や光共振器などに用いる光学素子の作製方法を提供することである。
【００３１】
ｍ）請求項１３の目的
請求項１３に係る本発明の目的は、簡易な方法で作製できる光導波路や光共振器などに用いる光学素子の凹部を形成する方法を提供することである。
【００３２】
ｌ）請求項１４〜１５の目的
請求項１４〜１５に係る本発明の目的は、簡易な方法で作製できる光学素子を提供することである。
【００３３】
ｍ）請求項１６〜１７の目的
請求項１６〜１７に係る本発明の目的は、簡易な方法で作製できる光導波路に使用できる光学素子を提供することである。
【００３４】
ｎ）請求項１８〜１９に係る本発明の目的は、簡易な方法で作製できる光レーザー素子に使用できる光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を有する。
ａ）請求項１記載の発明は、屈折率の異なる２種類以上の媒質が周期構造をなすことによりフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなる光学素子の作製方法であって、コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）、前記工程（Ａ）にて作製された周期性構造物の微粒子外壁に金属アルコキシドを付着させる工程（Ｂ）、前記工程（Ｂ）にて付着させた金属アルコキシドを乾燥させる工程（Ｃ）を有することを特徴としている。
【００３６】
ｂ）請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学素子の作製方法において、さらに、前記工程（Ｃ）の後に、前記微粒子を除去することにより中空粒子を作製する工程（Ｄ）を有することを特徴としている。
【００３７】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の光学素子の作製方法において、前記工程（Ｂ）および前記工程（Ｃ）を複数回繰り返すことを特徴としている。
【００３８】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項３記載の光学素子の作製方法において、前記工程（Ｂ）および前記工程（Ｃ）の繰り返しは、前記微粒子間の隙間が埋まるまで行うものであることを特徴としている。
【００３９】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記工程（Ｂ）は、微粒子外壁に付着させる金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１）を含むことを特徴としている。
【００４０】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項５に記載の光学素子の作製方法において、前記金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１）は、遠心力を利用して微粒子外壁に付着する金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１１）を含むことを特徴としている。
【００４１】
ｇ）請求項７記載の発明は、請求項５に記載の光学素子の作製方法において、前記金属アルコキシドの量を調整する工程（Ｂ１）は、金属アルコキシドの濃度を調整する工程（Ｂ１２）を含むことを特徴としている。
【００４２】
ｈ）請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記工程（Ａ）におけるコロイド溶液は、シリカ微粒子、ポリスチレン微粒子もしくはポリメタクリル酸メチル微粒子を含むことを特徴としている。
【００４３】
ｉ）請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記金属アルコキシドとしてチタンアルコキシドを用いたことを特徴としている。
【００４４】
ｊ）請求項１０記載の発明は、請求項２〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記工程（Ｄ）における微粒子を除去する工程は、熱による微粒子の焼失である特徴としている。
【００４５】
ｋ）請求項１１記載の発明は、請求項２〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記工程（Ｄ）における微粒子を除去する工程は、液相における化学反応による除去である特徴としている。
【００４６】
ｌ）請求項１２記載の発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記金属アルコキシドを有する周期性構造物に、選択的に凹部を形成するステップを有することを特徴としている。
【００４７】
ｍ）請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の光学素子の作製方法において、前記凹部を形成するステップは、フェムト秒レーザーを照射することによって行われることを特徴としている。
【００４８】
ｎ）請求項１４記載の発明は、屈折率の異なる２種類以上の媒質が周期構造をなすことによりフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなる光学素子であって、基板の表面に設けられた微粒子の周期性構造物と、該周期性構造物の微粒子外壁に設けられた金属アルコキシドとを有することを特徴としている。
【００４９】
ｏ）請求項１５記載の発明は、屈折率の異なる２種類以上の媒質が周期構造をなすことによりフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなる光学素子であって、基板の表面に設けられた球形殻状の金属アルコキシドの周期性構造物を有することを特徴としている。
【００５０】
ｐ）請求項１６記載の発明は、請求項１４または１５記載の光学素子において、前記周期性構造物に、一方の端部から他方の端部に連結する凹状の溝を設けたことを特徴としている。
【００５１】
ｑ）請求項１７記載の発明は、請求項１６記載の光学素子を用いたことを特徴とする光導波路である。
【００５２】
ｒ）請求項１８記載の発明は、請求項１４または１５記載の光学素子において、前記周期性構造物に、孤立した凹状の溝を設けたことを特徴としている。
【００５３】
ｓ）請求項１９記載の発明は、請求項１８記載の光学素子を用いたことを特徴とする光レーザー素子である。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、複合粒子による周期性構造物を含む光学素子を簡易に作製することができる。以下、請求項毎の効果を述べる。
【００５５】
ａ）請求項１の効果
請求項１に係る光学素子の作製方法によれば、複合粒子による周期性構造物を含む光学素子を簡易に作製できるという効果を奏する。
【００５６】
ｂ）請求項２の効果
請求項２に係る光学素子の作製方法によれば、中空粒子による周期性構造物を含む光学素子を簡易に作製できるという効果を奏する。
【００５７】
ｃ）請求項３の効果
請求項３に係る光学素子の作製方法によれば、微粒子の外殻の厚みを制御することができるという効果を奏する。
【００５８】
ｄ）請求項４の効果
請求項４に係る光学素子の作製方法によれば、微粒子間の隙間を生めた構造を作製することができるという効果を奏する。
【００５９】
ｅ）請求項５の効果
請求項５に係る光学素子の作製方法によれば、目的とする微粒子の外殻以外に不要物を形成させないという効果を奏する。
【００６０】
ｆ）請求項６の効果
請求項６に係る光学素子の作製方法によれば、微粒子の外壁以外に付着した金属アルコキシドを除去できるという効果を奏する。
【００６１】
ｇ）請求項７の効果
請求項７に係る光学素子の作製方法によれば、微粒子外殻の厚みを制御できるという効果を奏する。
【００６２】
ｈ）請求項８の効果
請求項８に係る光学素子の作製方法によれば、中空粒子を形成する際に、微粒子として有機物を用いて後の工程にて熱により焼失することを可能にするという効果を奏する。
【００６３】
ｉ）請求項９の効果
請求項９に係る光学素子の作製方法によれば、金属アルコキシドとしてチタンアルコキシドを用いることにより、微粒子外殻の材料の屈折率を高くできるという効果を奏する。
【００６４】
ｊ）請求項１０の効果
請求項１０に係る光学素子の作製方法によれば、熱焼失を利用することにより、簡易に中空粒子を得ることができるという効果を奏する。
【００６５】
ｋ）請求項１１の効果
請求項１１に係る光学素子の作製方法によれば、液相における化学反応を利用することにより中空粒子にダメージを与えないという効果を奏する。
【００６６】
ｌ）請求項１２の効果
請求項１２に係る光学素子の作製方法によれば、金属アルコキシドを有する周期性構造物に、選択的に凹部を形成することによって、簡易に光導波路や光共振器などの光学素子を作製することができるという効果を奏する。
【００６７】
ｍ）請求項１３の効果
請求項１３記載の光学素子の作製方法によれば、光導波路や光共振器などの光学素子の凹部を簡易に作製することができるという効果を奏する。
【００６８】
ｎ）請求項１４〜１５の効果
請求項１４〜１５に係る本発明の目的は、簡易な方法で作製できる光学素子を提供することである。
【００６９】
ｏ）請求項１６〜１７の効果
請求項１６〜１７に係る光学素子によれば、簡易な方法で光導波路に使用できる光学素子を作製できるという効果を奏する。
【００７０】
ｐ）請求項１８〜１９に係る本発明の目的は、簡易な方法で光レーザー素子（光共振器）に使用できる光学素子を作製できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。なお、各実施例の説明中、類似の構成を有する場合は共通の図面を用いて説明する。但し、基板材料、粒子材料、粒子径などは各実施例で異なる。
【００７２】
まず最初に、本願の各実施例と請求項との対応関係を説明しておく。実施例１では、請求項１、２、５〜１０、１２〜１３、１４〜１９に係る発明を説明する。実施例２では、請求項１、２、５〜１０、１２〜１３、１４〜１９に係る発明を説明する。実施例３では、請求項１、２、５〜９、１１、１２〜１３、１４〜１９に係る発明を説明する。実施例４では、請求項１〜１０、１２〜１３、１４〜１９に係る発明を説明する。
【００７３】
＜実施例１＞
図１は、実施例１により作製した光学素子の模式図である。
図１に示す光学素子は、中央部に波長４５０ｎｍ程度の光を伝播させる光導波路としての役割を果たす凹部の箇所（縦横各約１μm）を有している。光導波部は長方形状の一端から他端に繋がる空隙からなり、その他の箇所はチタニア中空粒子（粒径約３００ｎｍ）による周期性構造物１，２からなっている。
【００７４】
周期性構造物１，２は、石英基板３上に形成されたチタニア中空粒子４からなる周期構造体である。図では、粒子径、層数、亀裂の数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【００７５】
以下、図１の光学素子の作製方法を、図２を用いて説明する。
まず、数ｃｍ角の石英基板５と、直径３００ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）６を用意した。７はポリスチレン微粒子を示す。
【００７６】
１枚の石英基板５を、図２に示すように水面が垂直になるようにポリスチレン微粒子分散水溶液６に浸し、石英基板５の上部を固定した。
【００７７】
１週間程度そのまま放置し、ポリスチレン微粒子分散水溶液６内の溶媒を乾燥させた。その後、石英基板５を取り出し、十分乾燥させた。この際に、石英基板５上に自己組織化によりポリスチレン微粒子７による周期性構造物８が形成された。
【００７８】
石英基板５上のポリスチレン微粒子７による周期性構造物（微粒子膜）８の硬度を高めるために８０℃にて１時間の加熱を行った。その後、石英基板５表面にフェムト秒レーザーを照射して選択的にポリスチレン微粒子７を除去し、光導波路となる凹状の溝を作る加工を施した。
【００７９】
凹状の溝を周期性構造物の一方の端部から他方の端部に渡って設けることにより光導波路を形成することができる。また、凹状の溝を周期性構造物の閉じ込められた領域に設けることにより光レーザー素子や光共振器として機能する素子を形成することができる。
【００８０】
上記周期性構造物８が形成された石英基板５を、図３に示すようにスピンナー１０に固定し、石英基板５上の周期性構造物８にチタンアルコキシド液（濃度１ｗｔ％）をシリンジ９を用いて滴下した。その後、５００rpmにて３０秒間スピンナー１０を回転させた後、しばらく乾燥させた。このようにして、ポリスチレン微粒子７の外殻にチタニアの殻を形成した。
【００８１】
チタンアルコキシド液を滴下し、スピンナー１０を回転させる工程を３度繰り返した後、高温炉にて６００℃５時間の加熱を行った。その結果、ポリスチレン微粒子７が焼失し、チタニア中空粒子による周期構造物が石英基板５上に形成された。その後、これを適度な大きさに切り出して、図１の光学素子を得た。
【００８２】
図１に示す光導波路型デバイスは、コロイド溶液の毛管力、微粒子の自己組織化を利用した周期性構造物（微粒子膜）を作製し、微粒子に外殻を形成させた後に、内部を焼失させ、中空粒子による周期性構造物を形成した。フェムト秒レーザーによる凹状の溝の加工形状をチタニア殻の周期構造においても反映している。
【００８３】
図１に示す光導波路型デバイスは、殻粒子周期構造を利用して作製したものであり、閉じ込めの効果は高い。
【００８４】
ポリスチレン微粒子を除去して、外殻のチタニア殻のみとする工程では、熱焼失のほか、トルエンによるポリスチレンの除去も可能である。金属アルコキシドの付着の後には、スピンナー１０によって微粒子表面以外に付着した金属アルコキシドを除去している。
【００８５】
また、本実施例のように、微粒子が自己組織的に配列する現象を利用したボトムアップ手法では、エッチング装置などを用いて材料を加工するトップダウン手法と比較して、材料の無駄がなく、プロセスとしても容易であるため、省資源・省エネルギーであり、環境面でも優れている。
【００８６】
従来では導波路などのフォトニック結晶は微細加工を施す方法でしか作製できず、環境面で問題があった。しかしながら、本発明により、環境面に優れかつある程度複雑な構造をもつフォトニック結晶を作製できるようになった。
【００８７】
＜実施例２＞
図１は、実施例２により作製した光学素子の模式図である。
図１に示す光学素子は、中央部に波長６５０ｎｍ程度の光を伝播させる光導波路としての役割を果たす箇所（縦横各約１μm）を有する。
【００８８】
光導波部は、長方形状の空隙からなり、その他の箇所はチタニアにより外殻を被覆されたシリカ微粒子（複合粒子、粒径約３００ｎｍ）による周期性構造物１，２からなる。シリコン基板３上に複合粒子４からなる周期構造体が形成されている。図では、粒子径、層数、亀裂の数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【００８９】
以下、図１の光学素子の作製方法を、図２を用いて説明する。
まず、数ｃｍ角のシリコン基板５と、直径２８０ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のシリカ微粒子分散エタノール溶液（３ｗｔ％、１００ｍｌ）６を用意した。７はシリカ微粒子である。１枚のシリコン基板５を、図２に示すように水面が垂直になるように溶液に浸し、シリコン基板５の上部を固定した。
【００９０】
１週間程度そのまま放置し、溶液内の溶媒を乾燥させた。その後、シリコン基板５を取り出し、十分乾燥させた。この際に、シリコン基板５上には自己組織化によりシリカ微粒子７による周期性構造物８が形成された。
【００９１】
シリコン基板５上の周期性構造物（微粒子膜）８の硬度を高めるために３００℃にて１時間の加熱を行った。その後、シリコン基板５の表面にフェムト秒レーザーを照射して選択的に微粒子を除去し、凹状の溝を作る加工を施した。
【００９２】
凹状の溝を周期性構造物の一方の端部から他方の端部に渡って設けることにより光導波路を形成することができる。また、凹状の溝を周期性構造物の閉じ込められた領域に設けることにより光レーザー素子や光共振器として機能する素子を形成することができる。
【００９３】
上記周期性構造物が形成されたシリコン基板５を、図３に示すようにスピンナー１０に固定し、シリコン基板５上の周期性構造物（微粒子膜）８にチタンアルコキシド液（濃度１ｗｔ％）をシリンジ９を用いて滴下した。その後、５００rpmにて３０秒間スピンナー１０を回転させた後、しばらく乾燥させた。このようにして、シリカ微粒子の外殻にチタニアの殻を形成した。
【００９４】
チタンアルコキシド液を滴下し、スピンナー１０を回転させる工程を３度繰り返した後、高温炉にて５００℃５時間の加熱を行った。その結果、チタニア殻に被覆されたシリカ粒子が焼結した周期構造物がシリコン基板５上に形成された。それを適度な大きさに切り出し、図１の光学素子を得た。
【００９５】
図１に示す光導波路型デバイスは、コロイド溶液の毛管力、微粒子の自己組織化を利用した周期性構造物（微粒子膜）を作製し、微粒子に外殻を形成させた複合粒子による周期性構造物を形成した。フェムト秒レーザーによる加工形状を複合粒子の周期構造においても反映している。
【００９６】
＜実施例３＞
図１は、実施例３により作製した光学素子の模式図である。
図１に示す光学素子１は、中央部に波長４５０ｎｍ程度の光を伝播させる箇所（縦横各約１μm）があり、光導波路としての役割を果たすものである。
【００９７】
光導波部は長方形状の空隙からなり、その他の箇所はチタニア中空粒子（粒径約３００ｎｍ）による周期性構造物１，２からなる。シリコン基板３上にチタニア中空粒子４からなる周期構造体が形成されている。図では、粒子径、層数、亀裂の数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【００９８】
以下、図１の光学素子の作製方法を示す。
まず、実施例２の方法により、チタニア殻に被覆されたシリカ粒子構造体を形成した。その後、作製物をフッ酸に浸してシリカをエッチングした。その結果、チタニア殻による周期性構造物を得た。
【００９９】
図１に示す光導波路型デバイスは、コロイド溶液の毛管力、微粒子の自己組織化を利用した周期性構造物（微粒子膜）を作製し、微粒子に外殻を形成させた後に、内部を焼失させ、殻粒子による周期性構造物を形成した。フェムト秒レーザーによる凹状の溝加工をチタニア殻の周期構造においても反映している。
【０１００】
凹状の溝を周期性構造物の一方の端部から他方の端部に渡って設けることにより光導波路を形成することができる。また、凹状の溝を周期性構造物の閉じ込められた領域に設けることにより光レーザー素子や光共振器として機能する素子を形成することができる。
【０１０１】
図１に示す光導波路型デバイスは、中空粒子周期構造を利用して作製したものであり、閉じ込めの効果は高い。
【０１０２】
＜実施例４＞
図４は、実施例４により作製した光学素子の模式図である。
図４に示す光学素子は、中央部に波長４５０ｎｍ程度の光を伝播させる光導波路としての役割を果たす箇所（縦横各約１μm）を有している。
【０１０３】
光導波部は長方形状の空隙からなり、その他の箇所は球形の空隙（球径約３００ｎｍ）による周期性構造物１，２からなる。球形空隙の側壁はチタニアであり、逆オパール構造を形成している。図では、粒子径、層数、亀裂の数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【０１０４】
以下、図１の光学素子の作製方法を、図２を用いて説明する。
まず、数ｃｍ角の石英基板５と、直径３００ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のポリメタクリル酸メチル（PMMA）微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）６を用意した。７は、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）微粒子である。
【０１０５】
１枚の石英基板５を、図２に示すように水面が垂直になるようにポリメタクリル酸メチル（PMMA）微粒子分散水溶液６に浸し、石英基板５の上部を固定した。
【０１０６】
１週間程度そのまま放置し、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）微粒子分散水溶液６内の溶媒を乾燥させた。その後、石英基板５を取り出し、十分乾燥させた。この際に、石英基板５上には自己組織化によりPMMA微粒子７による周期性構造物８が形成された。
【０１０７】
石英基板５上の周期性構造物（微粒子膜）８の硬度を高めるために８０℃にて１時間の加熱を行った。その後、石英基板５の表面にフェムト秒レーザーを照射して選択的に微粒子を除去し、凹加工を施した。
【０１０８】
上記周期性構造物８が形成された石英基板５を、図３に示すようにスピンナー１０に固定し、石英基板５上の周期性構造物（微粒子膜）８にチタンアルコキシド液（濃度１ｗｔ％）をシリンジ９を用いて滴下した。その後、５００rpmにて３０秒間スピンナー１０を回転させた後、しばらく乾燥させた。このようにして、ポリスチレン微粒子７の外殻にチタニアの殻を形成した。
【０１０９】
チタンアルコキシド液を滴下し、スピンナーを回転させる工程と乾燥させる工程を７度繰り返した後、高温炉にて６００℃５時間の加熱を行った。その結果、ポリスチレン微粒子が焼失し、チタニアによる球形空隙周期構造物が基板上に形成された。それを適度な大きさに切り出し、図４の光学素子を得た。
【０１１０】
図４に示す光導波路型デバイスは、コロイド溶液の毛管力、微粒子の自己組織化を利用した周期性構造物（微粒子膜）を作製し、微粒子に外殻を形成する工程を繰り返した後に、内部を焼失させ、殻粒子による周期性構造物を形成した。
【０１１１】
実施例４では、実施例１〜３と異なり、チタンアルコキシドの付着と乾燥を数多く繰り返しているため、殻粒子の隙間さえもチタニアにより埋まっている。
【０１１２】
ポリスチレンを除去した後の空隙による周期構造においても、チタンフェムト秒レーザーによる溝加工形状（凹状）を反映している。
【０１１３】
凹状の溝を周期性構造物の一方の端部から他方の端部に渡って設けることにより光導波路を形成することができる。また、凹状の溝を周期性構造物の閉じ込められた領域に設けることにより光レーザー素子や光共振器として機能する素子を形成することができる。
【０１１４】
図１に示す光導波路型デバイスは、殻粒子周期構造を利用して作製したものであり、閉じ込めの効果は高い。
【０１１５】
以上、本発明を説明するために実施例を示してきたが、本発明はこれらの実施例にとどまることなく応用できることは言うまでもない。
【０１１６】
例えば、微粒子の種類は、シリカ、ポリエチレンのほかに酸化ジルコニウムなど様々のものでよい。
【０１１７】
微粒子径は通常数ｎｍから数百ｎｍのものが市販されているが、限定されない。周期構造物を作製するために使用する微粒子径を変えることによって、閉じ込める光の波長を選択することができる。
【０１１８】
微粒子形状は、球形が望ましいが、周期構造をとれる形状であれば問題はない。周期性構造物の作製方法は、基板を水平に設置する、基板に加工を施すなど、他の作製方法による周期性構造物であってもよい。周期性構造物は2枚の基板間に作製して、一方の基板を取り外す場合と、最初から１枚の基板表面に作製する場合がある。
【０１１９】
作製される周期性構造物、使用する基板等の大きさ等は限定されず、材質は請求項を満たす範囲で限定されない。周期性構造物作製時における溶液濃度、温度などは限定されない。金属アルコキシドの種類は限定されず、構成物も限定されない。また、上記実施例では、周期性構造物を、加熱や化学的処理によって微粒子部分を除去して中空にしているが、必ずしも中空にしなくてもよい。
【０１２０】
光導波部の材質としては、空気（空隙）のほかにも設計により様々である。周期性構造物を利用する光学デバイスは、光導波路や光共振器などに限らず、使用される材料（光学媒質）などによって、フォトニック結晶ファイバー、スーパープリズム、ディスプレーなど応用範囲は広い。
【０１２１】
また、微粒子が自己組織的に配列する現象を利用したボトムアップ手法では、エッチング装置などを用いて材料を加工するトップダウン手法と比較して、材料の無駄がなく、プロセスとしても容易であるため、省資源・省エネルギーであり、環境面でも優れている。
【０１２２】
トップダウン方式では、真空装置は真空ポンプ、ヒータなども用いるので電力を大量に長時間使用する上、材料が無駄になる。一方、本発明などのようなボトムアップ手法では基板を微粒子分散液に浸すことにより微粒子が集積し、周期性構造物が形成されるので、作製に要するエネルギーが格段に小さく、プロセスそのものも省エネルギーになる。作製プロセスに用いる溶媒なども回収が容易で、省資源かつ環境に優しい。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】実施例１〜３にて作製された光学素子の概略図である。
【図２】１枚の基板を用いた微粒子膜の作製方法の概略図である。
【図３】基板上の微粒子膜に金属アルコキシドを滴下する図である。
【図４】実施例４にて作製された光学素子の概略図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１、２：中空粒子もしくは複合粒子からなる周期性構造物
３：基板
４：周期性構造物を構成する中空粒子もしくは複合粒子
５：基板
６：コロイド溶液
７：微粒子
８：形成された周期性構造物（微粒子膜）
９：金属アルコキシドを滴下するためのシリンジ
１０：スピンナー
１１，１２：チタニアからなる周期性構造物、１３：反転オパール構造を構成する球形の空隙
【図１】
2005326438.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005326438.tif 000005
【図４】
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